Energiebetrachtung im Stromkreis

DeKay · Anmeldungsdatum: 29.05.2016 Beiträge: 1

Meine Frage:
Ich habe eine Frage zur genauen Energiebetrachtung in einem Stromkreis mit einer Spannungsquelle und einem Widerstand. Wie genau geschieht die Energieumwandlung?

Meine Ideen:
Ich stelle mir einen (idealisierten) Stromkreis im klassischen Teilchenmodell wie folgt vor: In dem (idealisierten) elektrischen Leiter können sich die Elektronen reibungsfrei bewegen. In dem Widerstand kollidieren die Elektronen mit den Atomen und geben so einen Teil ihrer kinetischen Energie in Form von Wärme ab.

Annahme: Im Leiter befinden sich keine Elektronen, es bewegt sich immer nur ein Elektron zur Zeit vom Minus-Pol zum Plus-Pol. Dann würde das Elektron im Leiter immer mehr potentielle Energie in kinetische Energie umwandeln und somit beschleunigt werden. Trifft das Elektron auf den Widerstand, stößt es häufig gegen Atome und verliert (teilweise) seine kinetische Energie. Nach passieren des Widerstandes wird das Elektron wieder beschleunigt, bis es beim Pluspol ankommt. In diesem Fall würde die Potentielle Energie des Elektrons linear mit dem zurückgelegten Weg abnehmen, es würde also keineswegs mehr (oder alle) potentielle Energie über den Widerstand verlieren (sondern es verliert die kinetische).

Nun bewegt sich ja jedoch nicht nur ein Elektron zur Zeit durch den Leiter, sondern an jeder Stelle des Leiters befinden sich Elektronen. Es stellt sich ein konstanter Strom ein. Das heißt, die Elektronen werden im Leiter nicht immer weiter beschleunigt. Da die Spannung bekanntermaßen über den Widerstand "abfällt", verlieren die Elektronen ihre gesamte potentielle Energie während des Aufenthaltes im Widerstandes. Aber wieso verlieren die Elektronen nicht bereits vorher potentielle Energie? Einfach weil sie es nicht können? Also, weil sie nicht an kinetischer Energie zunehmen können, da die Elektronen sich nicht beliebig stark vor den Widerstand drängen können? Und wie darf man sich den Energieverlust im Widerstand dann genau vorstellen? Die Elektronen stoßen immer wieder mit Atomen zusammen und werden abgebremst. Hier "hat die potentielle Energie jedoch die Chance ihre Energie loszuwerden" und beschleunigt die Elektronen immer wieder? Dadurch wird dann während des Aufenthaltes der Elektronen die gesamte potentielle Energie in Form von Wärme abgegeben.

Entschuldigt den langen Text und die vielleicht dumme Frage, ich grübele nur schon ein Weilchen darüber.

Beste Grüße!

schnudl · Moderator Anmeldungsdatum: 15.11.2005 Beiträge: 6979 Wohnort: Wien

Zum Energieverlust: Stelle dir einen Berghang (Widerstand) vor, wo ein großer Stein (Elektron) mit Gewicht G runterfällt. Wäre der Hang spiegelglatt (R=0), würde der Stein immer schneller und schneller werden. Unser Hang hat aber große Felsen, wo der Stein immer wieder dagegen prallt, abgebremst und neuerlich beschleunigt wird. Im Tal angekommen, ist der Stein nicht wahnsinnig schnell, da er seine potenzielle Energie G*h (q*U) hauptsächlich durch inelastische Stöße an den Felsen (Wechselwirkung mit Phononen und/oder Gitterdefekten) abgegeben hat.

Die Elektronen stoßen übrigens nicht einfach so mit den Atomen zusammen. Quantenmechanisch werden die Zustände eines Elektrons im periodischen Gitter durch Bloch-Wellen beschrieben, die aus der Wechselwirkung mit dem periodischen Potenzial resultieren. Wesentlich ist, dass hierbei die Energie eine Erhaltungsgröße ist. Zu Stoßprozessen komm es durch Gitterdefekte und Phononen (quantisierte Gitterschwingungen).